藍牙接入的兼容問題及解決方案

沙　巖

[摘要]為了實現(xiàn)藍牙網(wǎng)絡在主從節(jié)點間建立兩種通信鏈路類型來支持同步通信量或者面向數(shù)據(jù)的異步通信量，提出藍牙網(wǎng)絡的媒介接入控制（MAC），在此基礎上，再提出一種優(yōu)化的支持QoS的差分調度算法。

[關鍵詞]藍牙 QoS 差分調度算法 媒介接入控制

中圖分類號：TP2文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0220030－02

一、藍牙網(wǎng)絡通信面臨的要求

目前，藍牙網(wǎng)絡的接入兼容性高低引起了業(yè)內人士的注意，由于早期藍牙技術是針對單跳無線通信開發(fā)的，在一些移動設備上經常會遇到延遲和阻塞等問題，為了使其適合在多跳移動網(wǎng)絡中使用，服務質量(QoS，Quality of Service)技術被開發(fā)出來，可對藍牙協(xié)議本身進行改進，同時考慮將現(xiàn)有協(xié)議中的一些理想化的限制條件弱化，提高協(xié)議的適用性。藍牙協(xié)議標準中的現(xiàn)有協(xié)議規(guī)范大部分都限于靜態(tài)環(huán)境，沒有考慮節(jié)點的移動性，如何在節(jié)點移動、加入、撤出等情況下，保證散射網(wǎng)的有效性，當節(jié)點移動速度比較大時，解決節(jié)點在不同接入點、基站之間的切換，保證業(yè)務流的服務質量也就成為一個必須考慮的問題。本文針對藍牙媒介接入控制過程和輪詢方式的調度機制，改進了Diff-KFP算法，通過優(yōu)化其參數(shù)來提高整個網(wǎng)絡的吞吐量以及QoS。

藍牙網(wǎng)絡中支持QoS保證所面臨的主要問題有以下四個方面。

1. 鏈路質量預測困難：無線信號傳輸面臨著路徑損耗、多徑衰落和干擾等問題，由于節(jié)點的移動等因素的影響，周圍環(huán)境不斷變化導致預測鏈路質量很困難。

2. 鏈路帶寬預測的困難：無限媒介的信道帶寬被周圍的節(jié)點共享，周圍節(jié)點的移動和這些節(jié)點業(yè)務量的變化是鏈路帶寬很難預測。

3. 分布式控制：由于信道使用權需要采用分布式獲得，這導致優(yōu)先級的保證和資源的預留都帶有一定的隨機性。

4. 網(wǎng)絡的動態(tài)性：分別是移動設備通常使用電池作為電源、節(jié)點的移動性、網(wǎng)絡業(yè)務流的動態(tài)與不可預測。

隨著藍牙技術的發(fā)展，QoS已經成為通信系統(tǒng)必須支持的一項重要功能，已經是藍牙網(wǎng)絡的發(fā)展瓶頸了。

二、現(xiàn)有的藍牙網(wǎng)絡通訊方案分析

截止目前，國際上提出的移動Ad-hoc網(wǎng)絡實現(xiàn)和解決方案為數(shù)不多，如美國MeshNetworks公司的解決方案，以及以色列Commil公司提出的藍牙Fixed to Mobile Convergence(FMC)方案。

MeshNetworks公司方案主要技術特點如下：

（1）支持網(wǎng)絡和客戶端組網(wǎng)（Meshing）：其Ad-hoc對等技術同時支持基礎設施的組網(wǎng)以及客戶端組網(wǎng)。使用Multi-Hopping TM路由技術可以將任何一個客戶設備轉變?yōu)橐粋€路由器或重復器，從而改善了網(wǎng)絡覆蓋范圍，增加網(wǎng)絡的吞吐量。

（2）支持端到端的IP：由于所有的路由都是在IP層之下，各種網(wǎng)絡設備無需更改。

（3）網(wǎng)狀結構的頻譜復用和網(wǎng)絡吞吐量最大化：無論采用何種無線網(wǎng)絡技術，在網(wǎng)絡中所有節(jié)點都能彼此識別并間接或直接通信。避免了集中式結構中的瓶頸問題。網(wǎng)絡中的節(jié)點通過彼此合作來充分利用頻譜資源，避免過度競爭。

在FMC方案中，做了兩個重要的應用擴展：

（1）網(wǎng)絡用戶終端類型的擴展。將藍牙“三合一”手機應用的終端設備擴展為所有采用其CellarionTM技術所生產的移動設備，使得原來所局限于語音通信的應用面擴展到包括語音、數(shù)據(jù)通信在內的應用面。

（2）網(wǎng)絡覆蓋方式和范圍的擴展。將一般的藍牙Piconet網(wǎng)絡擴展為無縫覆蓋的藍牙蜂窩網(wǎng)絡，其網(wǎng)絡覆蓋范圍從一套房間、一層樓擴展到一個智能化樓宇范圍的區(qū)域網(wǎng)，覆蓋范圍更廣，覆蓋方式更靈活，對于實現(xiàn)網(wǎng)絡的自動切換方式參考了現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡切換方式。

在上述藍牙網(wǎng)絡中，數(shù)據(jù)的傳輸是由主節(jié)點驅動的時分復用機制調度機制進行的，并且時間片被分別分配給在一個皮克網(wǎng)內的一個主節(jié)點和一個從節(jié)點。主節(jié)點能在偶數(shù)時間片內發(fā)送給從節(jié)點數(shù)據(jù)包，而從節(jié)點只有在收到主節(jié)點數(shù)據(jù)包后才能在奇數(shù)時間片內給主節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包。由于藍牙主要采用基于主節(jié)點時分復用的輪叫調度策略（RR），然而當在輪詢序列中沒有等待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)時，許多時間片被輪詢（Poll）或者空（Null）的數(shù)據(jù)包所占用而被浪費。

為了克服這種鏈接浪費問題，已經提出了很多調度算法，如Low power mode-based policy,這個算法能相對地達到低能消耗和有效的時間片利用效果。但它并不適合動態(tài)通信量，而且還需要大量信號開銷。因此比較偏向應用基于隊列狀態(tài)的優(yōu)先級策略，而K-Fainess Policy（KFP）則由于它的相對合理的性能顯得很突出。雖然它根據(jù)數(shù)據(jù)通信量的特點可以展示不同的性能，但它并沒考慮藍牙網(wǎng)絡的QoS。為了解決這個問題，Differentialted KFP（Diff-KFP算法）被提了出來。它能通過基于每對主從節(jié)點的隊列狀態(tài)，有區(qū)別地調度稀缺無線電資源，從而提高吞吐量。而且還能為單獨的節(jié)點對保證公平性，通過使用合適的參數(shù)把QoS要求反應給調度機制。盡管Diff-KFP算法能提高吞吐量，但由于選擇了不合理的參數(shù)，現(xiàn)行通信還是可能被一個輪訓間隔而打斷。這樣就引起吞吐量的下降。這里我們提供Diff-KFP算法的詳細內容，并且優(yōu)化它的參數(shù)來提高整體性能，另外這個改進了的Diff-KFP算法算法也能將QoS應用到調度之中。

三、藍牙網(wǎng)絡的媒介接入控制（MAC）

藍牙網(wǎng)絡在主從節(jié)點間可建立兩種通信鏈路類型來支持同步通信量或者面向數(shù)據(jù)的異步通信量：同步面向連接鏈路（SCO）和異步無連接鏈路(ACL)。主節(jié)點通過在規(guī)則的間隔中保留時間片來維護SCO鏈路。由于每6個時間片就有兩個為SCO鏈路保留，剩下的時間片為ACL鏈路保留。

如圖1顯示了一個主節(jié)點調度數(shù)據(jù)傳輸。一個主節(jié)點在奇數(shù)時間片輪詢一個從節(jié)點，被輪詢的從節(jié)點在一個連續(xù)的奇數(shù)時間片內傳輸數(shù)據(jù)包。然而藍牙技術通常采用輪叫調度策略（RR），許多時間片可能由于輪詢數(shù)據(jù)包或者空數(shù)據(jù)包的交換而被浪費了。

盡管RR是最簡單的調度算法，并且在皮克網(wǎng)內均勻地將數(shù)據(jù)傳輸機會分配給每對主從節(jié)點，但是鏈路浪費可能會引起吞吐量的下降，而且輪叫調度策略(RR)也沒有考慮這些節(jié)點的優(yōu)先級。為了更有效的利用稀缺無線電資源，排隊狀態(tài)依靠數(shù)據(jù)包的調度策略。基于每對節(jié)點排隊狀態(tài)的KFP算法執(zhí)行對優(yōu)先級的輪詢。首先根據(jù)鏈路的利用來決定每對節(jié)點的類型，然后從所確定的類中分配合適的優(yōu)先級。具有較多流通量的這對節(jié)點具有較高的優(yōu)先級。在KFP中，優(yōu)先級低的節(jié)點將傳輸機會讓個優(yōu)先級高的節(jié)點。這樣KFP就能減少時間片的浪費。而且，為了保障公平，KFP有個臨界參數(shù)K.每對節(jié)點在得到服務機會時它的計數(shù)器值加一，否則就減一。

計數(shù)器的值代表每對節(jié)點得到和退讓的服務機會的數(shù)量。計數(shù)器的值可以為負，通過與計數(shù)器最大最小值間的比較的K值能夠平衡服務機會的分配。這樣KFP可以控制吞吐量和公平性，然而如果數(shù)據(jù)流通量特點是靜態(tài)的，并且集中在特定節(jié)點對上，計數(shù)器最大值和最小值間的差異能很快達到臨界值K,服務機會就有可能被這對節(jié)點所壟斷，那么KFP與RR就很類似了。由于計數(shù)器值的最大和最小值間的差距在K的范圍內并不減少，所以其他具有較低優(yōu)先級的節(jié)點對就不再讓出服務機會。因此只要提供服務的時間片數(shù)量增加，當差距超過臨界值K時，KFP的性能就與RR類似。因此有最大計數(shù)器值的節(jié)點對與具有最小值的其他節(jié)點對影響了系統(tǒng)的整體性能。而且這個算法并沒有考慮到藍牙技術的QoS需求。

因此，需要有新的有效的調度方法來保留藍牙技術的優(yōu)點，諸如低成本，低電量，低復雜度。并且用合理的公平性、對吞吐量提高的有效調度來滿足QoS要求。

四、支持QoS的差分調度算法

早先的KFP算法依靠數(shù)據(jù)包的調度策略而采用一個排隊狀態(tài)。在這個方案中，由主從節(jié)點對的排隊狀態(tài)信息決定優(yōu)先級。例如當一個SCO鏈路形成時，這個鏈路只允許四個連續(xù)的時間片給ACL鏈路，可以應用一個或者三個時間片長度的數(shù)據(jù)包。如果主節(jié)點隊列線頭（HOL）數(shù)據(jù)包是一個三個時間片的包，而從節(jié)點隊列線頭數(shù)據(jù)包是一個時間片的包，那么這個鏈路利用率就是100%。因此調度分給這對最高等級并且優(yōu)先為其提供服務機會。如果一個主節(jié)點或者從節(jié)點隊列線頭數(shù)據(jù)包是一個三個時間片的數(shù)據(jù)包，而另一個則是空，那么鏈路利用率是75%。這種情況下，這對就得到第二等級。同樣地，如果一個主節(jié)點或者一個從節(jié)點隊列線頭數(shù)據(jù)包是一個時間片數(shù)據(jù)包而另外一個是空，那么這個鏈路利用率是50%。只要兩個時間片有一個被使用，那么這個節(jié)點對就成為第三等級。通過這個確定過程，每對的優(yōu)先級就能確定下來。

KEP的操作在圖2中顯示出來，這里countermaster，countermin，counteri和counterhighest分別代表在所有節(jié)點對中的最大計數(shù)值，最小計數(shù)值，第i節(jié)點對計數(shù)值和具有最高等級的節(jié)點對計數(shù)值。每對節(jié)點的計數(shù)器跟蹤記錄這對節(jié)點所接受過的過度或偏少的服務機會，這個值用來服務的控制。當每對主從節(jié)點在RR內被連續(xù)的訪問時，不管它是否在KFP中為最高等級，所被輪詢的節(jié)點對要么得到服務或者就放棄服務的機會。每對節(jié)點值在這對節(jié)點放棄服務機會或者搶占其他節(jié)點機會時，就會相應的加一或者減一。只有在最大計數(shù)值和最小計數(shù)值間的差異不超過臨界值K時才允許服務機會的更替，例如在最大值時就會發(fā)生不公平性。如果沒有允許一對主從節(jié)點放棄服務機會，那么它就在預定時間片內傳遞數(shù)據(jù)包。

我們所提出的支持QoS的差分調度算法，Diff-KFP算法在圖3中顯示出來。每對優(yōu)先級和計數(shù)值的決定過程跟KFP相類似。新算法在保證公平性的技術方面有三點與KFP不同。首先，如果不是在最大值與最小值之間而是在最大值與當前對計數(shù)值間的差值小于K值，那么主節(jié)點就檢查。如果是這樣的話，主節(jié)點就根據(jù)節(jié)點對服務等級來決定這對節(jié)點是否放棄調度轉變。因此，這樣就能夠阻止具有最大計數(shù)值的節(jié)點對和具有最小的節(jié)點對對整個系統(tǒng)的性能的限制。第二，每個計數(shù)器減少的值，stepi對于每對節(jié)點反應他的QoS要求是不同的，而在KFP中都是相同的。這樣，通過合適地選擇步長和更新Diff-KFP算法參數(shù)，我們能較好的控制性能。圖3中，stepi和stepmax分別代表第i對節(jié)點的步長和所有節(jié)點對中的步長最大值。最后，在圖4的流程圖中的右分支那里顯示出來了，通過（stepmax-stepi）增加計數(shù)值來克服超過K值的問題。

五、小結

中國電信、中國移動、中國聯(lián)通已在1月8日取得了國內3G牌照，意味著移動通信終端將發(fā)生大的變革，在現(xiàn)有的PDA、筆記本、手機等移動終端所支持的藍牙協(xié)議上，還是面臨著網(wǎng)絡延遲和阻塞等問題。

參考文獻：

[1]蔡海慧，方旭名．藍牙自組網(wǎng)中的調度策略.電信快報，2003，(10)：30～34.

[2]馬忠建，方旭明，蔡海慧，傲丹．藍牙AdHoc網(wǎng)調度策略的設計與仿真.系統(tǒng)仿真學報，2006，18(9)：2546～2549，2608.